第4章半導(dǎo)體器件的基本特性1

第四章半導(dǎo)體器件的基本特性

4.1

4.2

4.3PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體晶體管半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦?/p>

重點(diǎn)：2.

二極管的分類、特性及應(yīng)用第四章半導(dǎo)體器件的基本特性4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N

型半導(dǎo)體4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識物質(zhì)按照導(dǎo)電性能可分為：導(dǎo)體：電阻率10-4·cm的物質(zhì)。如銀、銅、鋁等金屬材料。絕緣體：電阻率

109·cm的物質(zhì)。如橡膠、塑料等。半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅(Si)和鍺(Ge)。單晶硅電池片Si半導(dǎo)體晶片4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識最外層電子稱價電子價電子4價元素的原子常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4硅晶體共價鍵平面結(jié)構(gòu)硅的原子結(jié)構(gòu)圖共價鍵+4+4+4+4+4+4+4+4+4價電子4.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。當(dāng)溫度T=0K時，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體在熱（或光照）作用下產(chǎn)生電子--空穴對的現(xiàn)象?？昭ㄗ杂呻娮?4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子的定向移動形成電子電流；而價電子依次填補(bǔ)空穴，可視為空穴產(chǎn)生“定向移動”，形成空穴電流。自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有微弱的導(dǎo)電能力。本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，又成對地消失，稱其為復(fù)合。4.1.1本征半導(dǎo)體空穴自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4兩種載流子4.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體為了使本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力增加，即增加兩種載流子的濃度，我們通過擴(kuò)散工藝人為的摻入少量的特定雜質(zhì)，使其導(dǎo)電性能發(fā)生質(zhì)的變化。在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)所形成的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。分為：P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體4.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。+33價雜質(zhì)原子接受自由電子形成空穴，稱為受主原子。空穴受主原子P型半導(dǎo)體中，空穴為多數(shù)載流子，自由電子為少數(shù)載流子4.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體。+55價雜質(zhì)原子提供自由電子，稱為施主原子。N型半導(dǎo)體中，自由電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子自由電子施主原子4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管

PN

結(jié)在本征半導(dǎo)體上一側(cè)摻雜成為P

型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N

型半導(dǎo)體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)PN結(jié)的形成是一個動態(tài)平衡過程4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管P型和N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象擴(kuò)散運(yùn)動—由濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動。漂移運(yùn)動—載流子在電場力作用下的運(yùn)動。擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管P型和N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象擴(kuò)散運(yùn)動—多子由濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動PNP區(qū)的空穴擴(kuò)散到N區(qū)N區(qū)的電子擴(kuò)散到P區(qū)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管耗盡層空間電荷區(qū)PN——耗盡層P型和N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象擴(kuò)散運(yùn)動形成空間電荷區(qū)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管P型和N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象耗盡層產(chǎn)生內(nèi)電場：空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差

耗盡層空間電荷區(qū)PN內(nèi)電場阻止了多子的繼續(xù)擴(kuò)散——阻擋層內(nèi)電場阻擋層4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管P型和N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象漂移運(yùn)動—少子在電場力作用下的運(yùn)動空間電荷區(qū)PN內(nèi)電場阻擋層vD電位壁壘4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管P型和N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減??；隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時，PN結(jié)總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。即擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。動態(tài)平衡時空間電荷區(qū)的寬度約為幾～幾十微米；電位壁壘的大?。汗璨牧希?.6V-0.8V）

鍺材料（0.2V-0.3V）4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管P型和N型半導(dǎo)體的接觸現(xiàn)象4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管

PN結(jié)外加正向電壓空間電荷區(qū)外電場方向VRI外電場與內(nèi)電場方向相反耗盡區(qū)變窄，內(nèi)電場削弱有利于擴(kuò)散，擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流正向電流很大。內(nèi)電場方向PNPN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管死區(qū)電壓60402000.51.0I/mAU/V當(dāng)正向電壓比較小時，正向電流幾乎為零。這一電壓叫死區(qū)電壓。當(dāng)正向電壓超過一定值時，正向電流開始快速增長。開啟電壓與材料和溫度有關(guān)，硅管約0.5V左右，鍺管約0.1V左右。隨著電流增加，PN結(jié)兩端電壓會繼續(xù)增大，但到一定程度后，隨著電流增加，兩端電壓的增幅就不大了，此時PN結(jié)完全正向?qū)ǎ藭r的電壓叫導(dǎo)通電壓。開啟電壓導(dǎo)通電壓：硅：0.6-0.8V鍺：0.1-0.3V4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管空間電荷區(qū)PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS外電場與內(nèi)電場方向相同耗盡區(qū)變寬，內(nèi)電場增強(qiáng)阻止擴(kuò)散運(yùn)動，擴(kuò)散電流和漂移電流均很小反向電流很小。當(dāng)PN結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。

PN結(jié)外加反向電壓4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管擊穿電壓U(BR)反向飽和電流加反向電壓，反向電流很小。硅管<0.1μA;鍺管約為幾十μA。當(dāng)反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時，反向電流會突然增大；這種現(xiàn)象稱擊穿，對應(yīng)電壓叫反向擊穿電壓。擊穿并不意味PN結(jié)損壞，若控制擊穿電流，電壓降低后，還可恢復(fù)正常。雪崩擊穿，齊納擊穿。4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管604020–0.002–0.00400.51.0–25–50I/mAU/V正向特性擊穿電壓U(BR)在PN結(jié)的兩端加上電壓，測量流過PN結(jié)的電流，I=f(U)之間的關(guān)系曲線。反向特性擊穿特性

PN結(jié)的伏安特性4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管勢壘電容：PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。擴(kuò)散電容：PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴(kuò)散過程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕?/p>

PN結(jié)的電容效應(yīng)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)二極管分類二極管主要參數(shù)二極管的應(yīng)用

半導(dǎo)體二極管4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。

二極管的結(jié)構(gòu)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管

二極管的分類4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管普通二極管(2AP1～9，2CP1～20)用于檢波、鑒頻、限幅；整流二極管(2CZ11-2CZ27)用于不同功率的整流；開關(guān)二極管(2AK1-2AK4)用于計(jì)算機(jī)脈沖控制、開關(guān)電路穩(wěn)壓二極管(2CW1-2CW10)用于穩(wěn)壓電路發(fā)光二極管、光電二極管、變?nèi)荻O管……普通二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管光電二極管

二極管的分類4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管變?nèi)荻O管4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管第一部分第二部分第三部分第四部分第五部分用數(shù)字表示器件電極的數(shù)目用漢語拼音字母表示器件的材料和極性用漢語拼音字母表示器件的類型

用數(shù)字用數(shù)字表示序號漢語拼音字母標(biāo)示規(guī)格號符號意義符號意義符號意義2二極管AN型鍺材料P普通管BP型鍺材料W穩(wěn)壓管CN型硅材料Z整流管DP型硅材料K開關(guān)管例2AP9表示為N型鍺材料普通二極管，序號9

二極管的命名方法4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管二極管具有單向?qū)щ娦?。加正向電壓時導(dǎo)通，呈現(xiàn)很小的正向電阻，如同開關(guān)閉合；加反向電壓時截止，呈現(xiàn)很大的反向電阻，如同開關(guān)斷開。

二極管的主要參數(shù)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管

二極管的主要參數(shù)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓

→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。

二極管的主要參數(shù)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管最大整流電流IF

二極管長期運(yùn)行時，允許通過的最大正向平均電流最大反向工作電壓UR

二極管長期運(yùn)行時，允許的最大反向工作電壓反向擊穿電壓UBR

二極管反向擊穿時的電壓值反向電流IR

二極管未擊穿時的反向電流，IR

值愈小，二極管的單向?qū)щ娦阅茉胶谩Ｔ撝凳軠囟扔绊懞艽蟆?/p>

二極管的主要參數(shù)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管最高工作頻率fMfM

值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。二極管直流電阻RD

加在二極管兩端的直流電壓和流過二極管的電流之比二極管交流電阻rd

二極管工作點(diǎn)附近電壓與電流的微商。

rd

是非線性的，工作電流越大，其值越小。

二極管的主要參數(shù)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管直流電阻：二極管兩端直流電壓與電流的比值。交流電阻：工作點(diǎn)附近電壓與電流的微商。

二極管的主要參數(shù)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)的反向擊穿特性制作的半導(dǎo)體器件。二極管工作在反向擊穿區(qū)，當(dāng)反向電流在較大的范圍內(nèi)變化時，二極管兩端的電壓變化很小，也就是具備穩(wěn)壓性。

穩(wěn)壓二極管4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管穩(wěn)壓二極管電路注意事項(xiàng)：穩(wěn)壓二極管反向連接。穩(wěn)壓二極管與負(fù)載并聯(lián)必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，否則會燒壞管子。Ui+_RIRIZRLILUO

穩(wěn)壓二極管4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管當(dāng)負(fù)載RL不變而電源電壓Ui改變當(dāng)

Ui↑

UO

↑IZ

↑UR

↑IR

↑UO↓當(dāng)

Ui↓

UO

↓IZ

↓UR

↓IR

↓UO↑Ui+_RIRIZRLILUO

穩(wěn)壓原理4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管當(dāng)電壓Ui不變而負(fù)載RL改變當(dāng)

RL↑

UO

↑IZ

↑UR

↑IR

↑UO↓當(dāng)

RL↓

UO

↓IZ

↓UR

↓IR

↓UO↑Ui+_RIRIZRLILUO

穩(wěn)壓原理4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管

穩(wěn)壓原理4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管正常工作的電流，太小無法穩(wěn)壓，太大會永久性擊穿動態(tài)電阻rz工作在穩(wěn)壓區(qū)時的動態(tài)電阻，rz

越小越好額定功率PZ為防止穩(wěn)壓管發(fā)熱損毀需限定穩(wěn)壓管的功率電壓溫度系數(shù)α溫度變化1度時所引起的穩(wěn)壓管電壓變化的百分比

穩(wěn)壓二極管參數(shù)4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管利用PN結(jié)的空間電荷層具有電容特性的原理制成的特殊二極管，用于取代可變電容器。它的特點(diǎn)是結(jié)電容隨加到管子上的反向電壓大小而變化。在一定范圍內(nèi)，反向偏壓越小，結(jié)電容越大；反之，反向電容偏壓越大，結(jié)電容越小。變?nèi)荻O管在電視機(jī)、收音機(jī)中多用于調(diào)諧電路和自動頻率微調(diào)、濾波等電路中。

變?nèi)荻O管4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管光敏二極管是將光信號變成電信號的半導(dǎo)體器件。無光照時，有很小的反向飽和電流，此時光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時，飽和反向漏電流大大增加，它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。

光敏二極管4.2PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管發(fā)光二極管是把電能轉(zhuǎn)化成